مقدمة

ألياف الكوارتز هي ألياف غير عضوية مصنوعة من الكوارتز عالي النقاء أو البلورات الطبيعية، ويتراوح قطرها عادةً من بضعة ميكرونات إلى عشرات الميكرونات. تحتفظ هذه الألياف ببعض خصائص الكوارتز الصلب، وتُعدّ مواد ممتازة لمقاومة درجات الحرارة العالية. تحتوي ألياف الكوارتز الزجاجية على نسبة كتلة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) تزيد عن 99.9%. يتفوق أداؤها في درجات الحرارة العالية على أداء الألياف عالية السيليكا، حيث تصل درجة حرارة استخدامها على المدى الطويل إلى 1200 درجة مئوية، ونقطة تليينها إلى 1700 درجة مئوية. إضافةً إلى ذلك، تتميز بخصائص عزل كهربائي عالية، ومقاومة للاحتراق، ومقاومة للصدمات الحرارية، وخصائص عازلة ممتازة، وثبات كيميائي جيد. ونتيجةً لذلك، تلعب ألياف الكوارتز دورًا هامًا في الصناعات العسكرية والدفاعية والطيران والفضاء، حيث تُستخدم في تصنيع مكونات مثل فوهات الصواريخ وأجهزة الحماية الحرارية في مجال الطيران والفضاء.

تحضير

تشمل طرق إنتاج ألياف الكوارتز ما يلي:

1. صهر قضبان أو أنابيب الكوارتز باستخدام لهب الهيدروجين والأكسجين، ثم نفخها إلى ألياف باستخدام لهب الهيدروجين والأكسجين لإنتاج صوف الكوارتز بقطر 0.7~1 ميكرومتر؛

2. تشكيل ألياف قصيرة وألواحها المصنوعة من اللباد عن طريق صهر الكوارتز باللهب واستخدام تدفق الهواء عالي السرعة؛

3. تليين خيوط أو قضبان الكوارتز بسرعة ثابتة من خلال لهب الهيدروجين والأكسجين أو لهب الغاز، ثم سحبها بسرعة إلى ألياف طويلة.

الأبحاث ذات الصلة

آلية التلف الحراري لألياف الكوارتز

غالباً ما تعمل ألياف الكوارتز في بيئات ذات درجات حرارة عالية. عند درجات الحرارة المرتفعة، تميل ألياف الكوارتز إلى التحلل الحراري، مما يؤثر على أدائها في درجات الحرارة العالية. توجد أبحاث مكثفة حول تغيرات الطور في مواد الكوارتز عند درجات الحرارة العالية، ولكن لا توجد سوى تقارير قليلة حول آلية التلف الحراري لألياف الكوارتز.

قام الباحثون بدراسة التحول الطوري في ظل ظروف درجات الحرارة العالية، والتغيرات في البنية المجهرية للسطح، وتأثيراتها على الخصائص الميكانيكية لتوفير دعم نظري لتمديد عمر ألياف زجاج الكوارتز وتوسيع مجالات تطبيقها.

تُظهر النتائج أن انخفاض قوة ألياف الكوارتز يمكن تقسيمه إلى مرحلتين:

1. في النطاق الذي يقل عن 600 درجة مئوية، وبسبب تبخر عامل معالجة سطح ألياف الكوارتز، يتناقص القطر تدريجياً، وتصبح العيوب مثل الشقوق والانتفاخات الشريطية والندوب واضحة تدريجياً، مما يؤدي إلى انخفاض بطيء في قوة الشد لألياف الكوارتز؛

2. في نطاق 600~عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية، يكون عامل معالجة السطح قد تبخر تمامًا. خلال عملية التسخين والتبريد، وبسبب الإجهاد الحراري، تبدأ انتفاخات الشريط وآثاره بالتقشر، مما يُحدث تشققات جديدة في السطح ومواقع عيوب. كلما ارتفعت درجة الحرارة، ازداد تقشر انتفاخات الشريط وآثاره وضوحًا، وهو عامل رئيسي يُسبب انخفاضًا في قوة ألياف الكوارتز في هذا النطاق الحراري، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في قوة ألياف الكوارتز المعالجة عند 600 درجة مئوية.~1000 درجة مئوية.

معالجة سطح ألياف الكوارتز

تتميز ألياف الكوارتز، وهي ألياف زجاجية ذات محتوى عالٍ من ثاني أكسيد السيليكون، بأداء ممتاز وتُستخدم على نطاق واسع في المجالات التي تتطلب مواد خاصة، مثل القسطرات الطبية الحيوية ومعالجة غازات العادم. في السنوات الأخيرة، ونظرًا لخصائصها الميكانيكية والعازلة المتميزة، ازداد استخدامها في مجالات الطيران والفضاء، وخاصة في أنظمة أغطية الهوائيات ذات درجات الحرارة العالية. حاليًا، تركز الأبحاث على ألياف الكوارتز بشكل أساسي على أدائها في التبلور وتعديلات الطلاء السطحي. غالبًا ما تستخدم المواد المركبة ذات المصفوفة الخزفية لأغطية الهوائيات ذات أرقام ماخ العالية جدًا تقويةً مستمرة بألياف الكوارتز. وللحفاظ على قابلية تجميع ألياف الكوارتز للنسيج، يجب إضافة عامل غمر أثناء عملية إنتاج الألياف. المكون الرئيسي لعامل الغمر هو مادة عضوية. تتطلب أغطية الهوائيات ذات المصفوفة الخزفية عمومًا معالجةً بدرجة حرارة عالية في بيئة مفرغة أو في جو واقٍ للحصول على المنتج النهائي، وبالتالي ستتفحم المادة العضوية، ويمكن أن يؤثر وجود الكربون الحر بشدة على الخصائص العازلة لغطاء الهوائي. لذا، عند تحضير مواد غطاء هوائي من السيراميك المقوى بألياف الكوارتز، يجب إزالة عامل غمر سطح الألياف مع الحرص على تقليل الضرر الذي يلحق بألياف الكوارتز. مع ذلك، لا توجد حتى الآن تقارير حول كيفية إزالة عامل الغمر، والتغيرات في مورفولوجيا السطح وتركيبه قبل الإزالة وبعدها، والتغيرات في الأداء.

قام بعض الباحثين بدراسة طرق إزالة عامل التغطية السطحية لألياف الكوارتز، وذلك بإجراء تحليلات باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ومطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية (إكس بي إس) على ألياف الكوارتز المعالجة بطرق مختلفة، ومقارنة التغيرات في قوة الشد قبل وبعد المعالجة. تشير النتائج إلى أن المعالجة الحرارية بدرجة حرارة عالية تُزيل عامل التغطية السطحية بشكل أكثر فعالية، وأن قوة ألياف الكوارتز تتأثر بدرجة حرارة المعالجة الحرارية.